Диссертация (1025198), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Проводитьизмерение зоны эрозии W для каждого нового режима работы и материалазатруднительно. Потому была разработанная методика оценки ширины зоныэрозии путём фоторегистрации.Профиль зоны эрозии формируется катодными пятнами, которыедвигаются в арочном магнитном поле по замкнутой траектории. НаРисунке 3.21 приведён кольцевой трек, иллюстрирующий положение границдвижения катодных пятен (ток разряда 100 А, индукция 6,3 мТл). Рисунок былскомпонован путём наложения друг на друга не менее 150 треков катодныхпятен, полученных скоростной видеосъёмкой. Показано, что катодные пятна невыходят за определённые границы кольцевого трека, которые показаны наРисунке 3.21 окружностями.

Считаем, что расстояние между окружностямисоответствует ширине зоны эрозии 2W, то есть ширина кольцевого трекасоответствует ширине зоны эрозии катода.Проверка данного предположения была выполнена путём проведенияскоростной видеосъёмки треков катодного пятна в тех же режимах работыдугового испарителя, что были получены слепки профилей зон эрозии: токразряда 100 А, величина индукции арочного магнитного поля 5 и 12,5 мТл.Чтобы получить ширину кольцевого трека катодных пятен за длительноевремя, было наложено друг на друга не менее 150 кадров видеосъёмки современем экспозиции 50 мс. При такой выдержке катодные пятна пробегали91примерно 3/4 круговой траектории. За границы ширины кольцевого трекавыбирались зоны, где катодные пятна практически не появлялись.

Ширинакольцевого трека измерялась в 8 точках со смещением 45о. Средняя ширинавычислялась, как среднее арифметическое измерений:nWcp =∑Wi =1in(3.9)Рисунок 3.21.Движение катодных пятен в арочном магнитном поле и формирование зоныэрозии1 – граница катода; 2, 3 – границы движения катодных пятен; 4 – треккатодных пятен; 5 – профиль зоны эрозии катодаСопоставление данных показало, что разница между значениями шириныпрофиля зоны эрозии 2W, определённая по слепку, и ширины кольцевого трекакатодных пятен в двух рассмотренных случаях составляет 11,1 % и 9,6 %соответственно.Влияние величины индукции арочного магнитного поля и тока разряда наширину зоны эрозии проиллюстрировано на Рисунке 3.22.Показано, что зона эрозии при увеличении индукции магнитного полястановится более узкой, что является следствием спрямления траектории92движения катодного пятна и уменьшением угла расхождения ответвленийтрека.абРисунок 3.22.Ширина области движения катодных пятен в арочном магнитном полеа – влияние индукции магнитного поля (ток разряда 100 А); б – влияние токаразряда (индукция 6,3 мТл).Зависимости ширины зоны эрозии от индукции арочного магнитногополя и от тока разряда для различных материалов приведены на Рисунках 3.23и 3.24 соответственно.Влияние индукции магнитного поля на ширину зоны эрозии можноописать степенным законом со средней достоверностью аппроксимацииR2 = 0,98 (3.10).

Коэффициенты aW(I) и bW(I), входящие в уравнение, зависят оттока разряда. Их можно описать экспоненциальным законом со среднейдостоверностью аппроксимации R2 = 0,96.W (=B, I ) aW ( I ) ⋅ B bW ( I )aW ( I ) = αW + βW ⋅ exp(σ W ⋅ I ) ,b ( I ) = γ + ζ ⋅ exp(ω ⋅ I )WWWW(3.10)где aW(I), bW(I) – коэффициенты, зависящие от тока разряда I; αW, βW, γW, ζW, σW,χW – эмпирические коэффициенты, характерные для данного материала.93Значения коэффициентов αW, βW, γW, ζW, σW, χW для различных материаловприведены в Таблице 3.6.абвгРисунок 3.23.Ширина зоны эрозии в зависимости от индукции арочного магнитного поля дляразличных материалова – титан ВТ1-0; б – алюминий А995; в – медь М1; г – кремнийОтклонение значений ширины зоны эрозии W(B,I), полученных поэмпирическим зависимостям, от экспериментальных величин составляет всреднем 6,7%.

Аппроксимация функций проводилась в пакете Origin 9 путёмминимизации функции величины достоверной аппроксимации.Таблица 3.6.Значения эмпирических коэффициентов для оценки ширины зоны эрозииW(I,B)TiAlCuSiαW100000βW0,4117,213,23,38σW4,3-39,0·10-37,3·100,32γW0,457000ζW-32,0·10-34,6·100,380,41χW-23,0·10-33,3·10-31,2·10-31,4·1094абвгРисунок 3.24.Ширина зоны эрозии в зависимости от тока разряда для различных материалова – титан ВТ1-0; б – алюминий А995; в – медь М1; г – кремний3.6. Оценка профиля зоны эрозии промышленного вакуумно-дуговогоиспарителя с арочным магнитным полем переменной конфигурацииПеременная конфигурация арочного магнитного поля обеспечиваетпостепенное изменение радиуса движения катодных пятен, двигающихся варочном магнитном поле по окружности за счёт смещения центра арки силовыхлиний от периферии к центру и обратно.

Таким образом, катодные пятнадвигаются по всей поверхности катода, обеспечивая равномерную выработку.Так как закон движения катодных пятен задаётся дискретными значениямисоотношений токов в магнитных катушках, то движение катодных пятен поповерхности катода также представляет собой совокупность стационарныхсостояний движущихся по окружности катодных пятен. Итоговый профилькатода может быть рассчитан как сумма каждого из стационарных состояний.95В качестве исходных данных задавались следующие параметры: материалкатода, ток разряда, общее время работы, величина индукции арочногомагнитного поля в центре арки магнитного поля, закон изменения соотношенийтоков в магнитных катушках.Алгоритм построения профиля выработки катода вакуумно-дуговогоиспарителяустановкиNanoArcMasterбылосуществлёнвсредепрограммирования Delphi 7. Рассчитанный профиль зоны эрозии катодадугового испарителя приведён на Рисунке 3.25. На Рисунке также приведеныэкспериментальные данные, полученные путём измерения профиля послеработы.

При расчёте и экспериментальной проверке принималось, что времяработы дугового испарителя одинаково и составляет 30 минут. Профиль катодаизмерялсяштангенциркулемотносительнофиксированнойопорнойповерхности с шагом от 0,5 до 2 мм.Расчёт даёт результаты, близкие к реальным значениям профиля зоныэрозии катода. Коэффициент использования материала катода составил 37 %,ресурс непрерывной работы катода составил 24 часа с учётом запаса потолщине 4 мм.Имеяподобнуюсхемурасчетов,былпроведёнрасчётзакона«сканирования» катодными пятнами поверхности катода. Условием расчётбыло равенство глубины профиля зоны эрозии в соседних положенияхкольцевого движения катодного пятна H0 i = H0 i+1:m i ( B) I p ti0, 4 ⋅ 2π RWi i ( I p , B) ρ=m i +1 ( B) I p ti +10, 4 ⋅ 2π Ri +1Wi +1 ( I p , B) ρ.(3.11)Откудаtiti +1=RWi i ( I p , B ) m i +1 ( B ), i ( B)Ri +1Wi +1 ( I p , B) m(3.12)илиRi +1Wi +1 ( I p , B)m i ( B) 2π Wi +1 ( I p , B)m i ( B)=ti +1 ti=Ri +1 ,RWVКП i Wi ( I p , B)m i +1 ( B)i i ( I p , B ) mi +1 ( B )где VКП i – значение скорости движения катодных пятен(3.13)96Рисунок 3.25.Рассчитанный и реальный профиль зоны эрозии катода дугового испарителя.Осевая линия катода совпадает с левой вертикальной осью графикаВ выражениях (3.13) скорость эрозии материала катода m зависит отиндукции арочного магнитного поля, ширина зоны эрозии зависит от токаразрядаииндукциимагнитногополя.Какправило,распределениемаксимального значения индукции арочного поля по радиусу катода неодинаково, однако, для упрощения задачи, можно этим пренебречь.

Считая, чтоиндукция арочного магнитного поля и скорость эрозии материала катода вдолькоординаты r примерно одинаковы, можно записать:ti +1 ≈2πRi +1VКП i(3.14)На основе выражения (3.14) был предложен другой закон изменениясоотношения токов в магнитных катушках дугового испарителя (Рисунок 3.26).При поиске нового соотношения токов принималось, что значение тока восновной катушке составляет 2 А, ток в периферийной катушке то изменялся от0 до 2 А.Профиль зоны эрозии катода, рассчитанный по данной методике, ирезультаты экспериментальной проверки приведены на Рисунке 3.27.97Коэффициент использования материала катода увеличился до 77 %,ресурс катода составил 51 час.Рисунок 3.26.Закон изменения соотношений токов в магнитных катушках дуговогоиспарителяТаким образом, показана возможность проводить расчёт профилявыработки катода и рассчитывать время его работы.

Экспериментальнопроверен режим работы дугового испарителя, позволяющий увеличитькоэффициент использования материала катода в 2 раза.Рисунок 3.27.Профиль катода после согласно новому закону сканирования иэкспериментальная проверка983.7. Измерение соотношения концентраций тепловых ионов и ионов пучкав плазме вакуумно-дугового разрядаАнализ литературы показывает, что в плазме вакуумно-дугового разрядаприсутствуют ионы двух типов: 1) хаотически движущиеся ионы с тепловымиэнергиями;2)высокоэнергетичныйпучокионовсостороныкатода.Соотношение концентраций тепловых ионов и ионов пучка было полученоэкспериментально с помощью системы двух плоских одиночных электрическихзондов, изготовленных из тонкой танталовой фольги (Рисунок 3.28).На зонд, расположенный перпендикулярно потоку ионов, приходят ионыпучка (на одну поверхность зонда) и тепловые ионы (на обе поверхностизонда).Ток тепловых ионов измерялся зондом, расположенным параллельнопотоку ионов.

Характеристики

Список файлов диссертации